Documentation/scheduler/sched-design-CFS.rst

   1 .. _sched_design_CFS:
   2
   3 =============
   4 CFS Scheduler
   5 =============
   6
   7
   8 1.  OVERVIEW
   9 ============
  10
  11 CFS stands for "Completely Fair Scheduler," and is the "desktop" process
  12 scheduler implemented by Ingo Molnar and merged in Linux 2.6.23. When
  13 originally merged, it was the replacement for the previous vanilla
  14 scheduler's SCHED_OTHER interactivity code. Nowadays, CFS is making room
  15 for EEVDF, for which documentation can be found in
  16 Documentation/scheduler/sched-eevdf.rst.
  17
  18 80% of CFS's design can be summed up in a single sentence: CFS basically models
  19 an "ideal, precise multi-tasking CPU" on real hardware.
  20
  21 "Ideal multi-tasking CPU" is a (non-existent  :-)) CPU that has 100% physical
  22 power and which can run each task at precise equal speed, in parallel, each at
  23 1/nr_running speed.  For example: if there are 2 tasks running, then it runs
  24 each at 50% physical power --- i.e., actually in parallel.
  25
  26 On real hardware, we can run only a single task at once, so we have to
  27 introduce the concept of "virtual runtime."  The virtual runtime of a task
  28 specifies when its next timeslice would start execution on the ideal
  29 multi-tasking CPU described above.  In practice, the virtual runtime of a task
  30 is its actual runtime normalized to the total number of running tasks.
  31
  32
  33
  34 2.  FEW IMPLEMENTATION DETAILS
  35 ==============================
  36
  37 In CFS the virtual runtime is expressed and tracked via the per-task
  38 p->se.vruntime (nanosec-unit) value.  This way, it's possible to accurately
  39 timestamp and measure the "expected CPU time" a task should have gotten.
  40
  41    Small detail: on "ideal" hardware, at any time all tasks would have the same
  42    p->se.vruntime value --- i.e., tasks would execute simultaneously and no task
  43    would ever get "out of balance" from the "ideal" share of CPU time.
  44
  45 CFS's task picking logic is based on this p->se.vruntime value and it is thus
  46 very simple: it always tries to run the task with the smallest p->se.vruntime
  47 value (i.e., the task which executed least so far).  CFS always tries to split
  48 up CPU time between runnable tasks as close to "ideal multitasking hardware" as
  49 possible.
  50
  51 Most of the rest of CFS's design just falls out of this really simple concept,
  52 with a few add-on embellishments like nice levels, multiprocessing and various
  53 algorithm variants to recognize sleepers.
  54
  55
  56
  57 3.  THE RBTREE
  58 ==============
  59
  60 CFS's design is quite radical: it does not use the old data structures for the
  61 runqueues, but it uses a time-ordered rbtree to build a "timeline" of future
  62 task execution, and thus has no "array switch" artifacts (by which both the
  63 previous vanilla scheduler and RSDL/SD are affected).
  64
  65 CFS also maintains the rq->cfs.min_vruntime value, which is a monotonic
  66 increasing value tracking the smallest vruntime among all tasks in the
  67 runqueue.  The total amount of work done by the system is tracked using
  68 min_vruntime; that value is used to place newly activated entities on the left
  69 side of the tree as much as possible.
  70
  71 The total number of running tasks in the runqueue is accounted through the
  72 rq->cfs.load value, which is the sum of the weights of the tasks queued on the
  73 runqueue.
  74
  75 CFS maintains a time-ordered rbtree, where all runnable tasks are sorted by the
  76 p->se.vruntime key. CFS picks the "leftmost" task from this tree and sticks to it.
  77 As the system progresses forwards, the executed tasks are put into the tree
  78 more and more to the right --- slowly but surely giving a chance for every task
  79 to become the "leftmost task" and thus get on the CPU within a deterministic
  80 amount of time.
  81
  82 Summing up, CFS works like this: it runs a task a bit, and when the task
  83 schedules (or a scheduler tick happens) the task's CPU usage is "accounted
  84 for": the (small) time it just spent using the physical CPU is added to
  85 p->se.vruntime.  Once p->se.vruntime gets high enough so that another task
  86 becomes the "leftmost task" of the time-ordered rbtree it maintains (plus a
  87 small amount of "granularity" distance relative to the leftmost task so that we
  88 do not over-schedule tasks and trash the cache), then the new leftmost task is
  89 picked and the current task is preempted.
  90
  91
  92
  93 4.  SOME FEATURES OF CFS
  94 ========================
  95
  96 CFS uses nanosecond granularity accounting and does not rely on any jiffies or
  97 other HZ detail.  Thus the CFS scheduler has no notion of "timeslices" in the
  98 way the previous scheduler had, and has no heuristics whatsoever.  There is
  99 only one central tunable (you have to switch on CONFIG_SCHED_DEBUG):
 100
 101    /sys/kernel/debug/sched/base_slice_ns
 102
 103 which can be used to tune the scheduler from "desktop" (i.e., low latencies) to
 104 "server" (i.e., good batching) workloads.  It defaults to a setting suitable
 105 for desktop workloads.  SCHED_BATCH is handled by the CFS scheduler module too.
 106
 107 In case CONFIG_HZ results in base_slice_ns < TICK_NSEC, the value of
 108 base_slice_ns will have little to no impact on the workloads.
 109
 110 Due to its design, the CFS scheduler is not prone to any of the "attacks" that
 111 exist today against the heuristics of the stock scheduler: fiftyp.c, thud.c,
 112 chew.c, ring-test.c, massive_intr.c all work fine and do not impact
 113 interactivity and produce the expected behavior.
 114
 115 The CFS scheduler has a much stronger handling of nice levels and SCHED_BATCH
 116 than the previous vanilla scheduler: both types of workloads are isolated much
 117 more aggressively.
 118
 119 SMP load-balancing has been reworked/sanitized: the runqueue-walking
 120 assumptions are gone from the load-balancing code now, and iterators of the
 121 scheduling modules are used.  The balancing code got quite a bit simpler as a
 122 result.
 123
 124
 125
 126 5. Scheduling policies
 127 ======================
 128
 129 CFS implements three scheduling policies:
 130
 131   - SCHED_NORMAL (traditionally called SCHED_OTHER): The scheduling
 132     policy that is used for regular tasks.
 133
 134   - SCHED_BATCH: Does not preempt nearly as often as regular tasks
 135     would, thereby allowing tasks to run longer and make better use of
 136     caches but at the cost of interactivity. This is well suited for
 137     batch jobs.
 138
 139   - SCHED_IDLE: This is even weaker than nice 19, but its not a true
 140     idle timer scheduler in order to avoid to get into priority
 141     inversion problems which would deadlock the machine.
 142
 143 SCHED_FIFO/_RR are implemented in sched/rt.c and are as specified by
 144 POSIX.
 145
 146 The command chrt from util-linux-ng 2.13.1.1 can set all of these except
 147 SCHED_IDLE.
 148
 149
 150
 151 6.  SCHEDULING CLASSES
 152 ======================
 153
 154 The new CFS scheduler has been designed in such a way to introduce "Scheduling
 155 Classes," an extensible hierarchy of scheduler modules.  These modules
 156 encapsulate scheduling policy details and are handled by the scheduler core
 157 without the core code assuming too much about them.
 158
 159 sched/fair.c implements the CFS scheduler described above.
 160
 161 sched/rt.c implements SCHED_FIFO and SCHED_RR semantics, in a simpler way than
 162 the previous vanilla scheduler did.  It uses 100 runqueues (for all 100 RT
 163 priority levels, instead of 140 in the previous scheduler) and it needs no
 164 expired array.
 165
 166 Scheduling classes are implemented through the sched_class structure, which
 167 contains hooks to functions that must be called whenever an interesting event
 168 occurs.
 169
 170 This is the (partial) list of the hooks:
 171
 172  - enqueue_task(...)
 173
 174    Called when a task enters a runnable state.
 175    It puts the scheduling entity (task) into the red-black tree and
 176    increments the nr_running variable.
 177
 178  - dequeue_task(...)
 179
 180    When a task is no longer runnable, this function is called to keep the
 181    corresponding scheduling entity out of the red-black tree.  It decrements
 182    the nr_running variable.
 183
 184  - yield_task(...)
 185
 186    This function is basically just a dequeue followed by an enqueue, unless the
 187    compat_yield sysctl is turned on; in that case, it places the scheduling
 188    entity at the right-most end of the red-black tree.
 189
 190  - wakeup_preempt(...)
 191
 192    This function checks if a task that entered the runnable state should
 193    preempt the currently running task.
 194
 195  - pick_next_task(...)
 196
 197    This function chooses the most appropriate task eligible to run next.
 198
 199  - set_next_task(...)
 200
 201    This function is called when a task changes its scheduling class, changes
 202    its task group or is scheduled.
 203
 204  - task_tick(...)
 205
 206    This function is mostly called from time tick functions; it might lead to
 207    process switch.  This drives the running preemption.
 208
 209
 210
 211
 212 7.  GROUP SCHEDULER EXTENSIONS TO CFS
 213 =====================================
 214
 215 Normally, the scheduler operates on individual tasks and strives to provide
 216 fair CPU time to each task.  Sometimes, it may be desirable to group tasks and
 217 provide fair CPU time to each such task group.  For example, it may be
 218 desirable to first provide fair CPU time to each user on the system and then to
 219 each task belonging to a user.
 220
 221 CONFIG_CGROUP_SCHED strives to achieve exactly that.  It lets tasks to be
 222 grouped and divides CPU time fairly among such groups.
 223
 224 CONFIG_RT_GROUP_SCHED permits to group real-time (i.e., SCHED_FIFO and
 225 SCHED_RR) tasks.
 226
 227 CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED permits to group CFS (i.e., SCHED_NORMAL and
 228 SCHED_BATCH) tasks.
 229
 230    These options need CONFIG_CGROUPS to be defined, and let the administrator
 231    create arbitrary groups of tasks, using the "cgroup" pseudo filesystem.  See
 232    Documentation/admin-guide/cgroup-v1/cgroups.rst for more information about this filesystem.
 233
 234 When CONFIG_FAIR_GROUP_SCHED is defined, a "cpu.shares" file is created for each
 235 group created using the pseudo filesystem.  See example steps below to create
 236 task groups and modify their CPU share using the "cgroups" pseudo filesystem::
 237
 238         # mount -t tmpfs cgroup_root /sys/fs/cgroup
 239         # mkdir /sys/fs/cgroup/cpu
 240         # mount -t cgroup -ocpu none /sys/fs/cgroup/cpu
 241         # cd /sys/fs/cgroup/cpu
 242
 243         # mkdir multimedia      # create "multimedia" group of tasks
 244         # mkdir browser         # create "browser" group of tasks
 245
 246         # #Configure the multimedia group to receive twice the CPU bandwidth
 247         # #that of browser group
 248
 249         # echo 2048 > multimedia/cpu.shares
 250         # echo 1024 > browser/cpu.shares
 251
 252         # firefox &     # Launch firefox and move it to "browser" group
 253         # echo <firefox_pid> > browser/tasks
 254
 255         # #Launch gmplayer (or your favourite movie player)
 256         # echo <movie_player_pid> > multimedia/tasks